揭秘美改进型一次性运载火箭两大家族发展(图)

   日期:2008-12-01     来源:中国网    评论:0    

  宇宙航天飞机邀请赛和Titan34-9在1986年三个月内的意外失利给美国国防以毁灭性的打击,从而美国国防部采取一系列的动作以恢复由这些失败引起的宇宙通道的或缺。 Titan, Delta和 Atlas曾经被逐步淘汰的发射程序又被重新注入活力;美国空军航天飞机计划已被取消;但一系列的远程联络研究却得以执行很多年。 
 
    所有这些行动都是以确保安全进入宇宙为首要目的。因而产生了在1994年由国会控制,General Thomas S指导的宇宙发射计划。讨论了所有宇宙发射成果策略由毫无可行性到完美结局的飞跃。为解决美国国防部未来的发射需要,“改进型一次性运载火箭”(EELV)观念被认为是最能平衡花费和冒险性的一个方案。

  在1997年,同时进入中转轨道的世界范围内的商用发射物期待着有不可思议的发展。考虑到这样强劲的商业市场,美国空军决定修改他的成果计划,并且允许两个监造承包商进入该工程的工程师行业,制造行业以及发展阶段塚接收最初的发射器服务契约。

  改进型一次性运载火箭的解决方案

  改进型一次性运载火箭的目的主要有二,一是设法淘汰各种高耗资耗能的运载火箭,像Titans2号,Titans4号,Delta2号,Atlas2号等等,二是在一枚改进火箭上将担负起所有国防部的飞行负荷。这就意味着发射台和有效负荷分界面需要被标准的定型,并且火箭也需要使用一种有标准组件的设计来适应不同负荷等级的冲击。

  在1997年,同时进入中转轨道的世界范围内的商用发射物期待着有不可思议的发展。考虑到这样强劲的商业市场,美国空军决定修改他的成果计划,并且允许两个监造承包商进入该工程的工程师行业,制造行业以及发展阶段塚接收最初的发射器服务契约。

  在挑选发射器供应商上给空军一个选择保证进入太空的权利,这是通过提供太空飞行任务奖励的买卖权实现的。这种花费均分协议只是为两类发射系统提供了一部分资金。其他的将来自承包商自己。

  作为交换,承包商可以保留所有发射体系的设计和发射操作的拥有权和使用控制权,还能以此来完成他们的发展计划,进以实现更长远的发展目标。政府的计划是依赖商业推销来建立在传播媒介的信心,而不是履行传统的任务保证。

  政府假意宣称在第一次政府任务之前有7或8次商业任务可以由改进型一次性运载火箭完成。不久后空军就改变了他们的成果计划,因为Delta3号和Titan4号经历了在1997年到1999年间的几次重大失误。因此政府成立了一个宇宙发射的高宽领域检阅(BAR),以前任空军高级将领Staff General Larry D•Welch的名字命名,他在退休后就一直在调查和评估发射体系中每个可能引起失败的潜在系统问题。该次检阅发现工程工序和工艺过失是引起发射失败最基本的原因。

  另外,工程系统的退化,风险管理和政府的原因也对发射失败有一定的影响。对此BAR强烈推荐国防部的改进型一次性运载火箭工程吸取传统发射失败的教训,变的更小巧但更复杂技术含量更高。在这同一时期,商业市场上的突出特点逐渐消失,在第一次政府任务之前的一系列的商业任务也将彻底的减少,

  有效的减少由原来空军成果计划预料的风险系数。按照的推荐,额外的任务保证措施开始被应用在该运载火箭上,在工程早期,由航空和宇宙航行空间公司执行的独立任务保证在国防部发射上还没有被列上计划单,直到政府在商业成果交涉上的投资被限制了,该项具有代表性的措施才得以见天日。

  但是,随着工程越来越接近第一次政府发射,因为更多的强调政府任务保证,而导致航空和宇宙航行空间在向更传统而独立发射预备保证方面的又一次重生。

  改进型一次性运载火箭包括了两大运载火箭家族:Atlas5号和 Delta4号.它们除了拥有相关的基础结构,支持系统和在进入太空独立性的保证外。每个运载火箭系列都以两级中间脱落为基础,该设计曾因需要增加火箭的有效负载能力,三大技术要点和沉重的升降机问题一度被受争论。

  尽管工程在它的先前几次发射中取得了引人瞩目的成功,但它依旧还只是处于发展早期,并且还需要继续监视以保证在成本上的预期效益,以及它在长远意义上的可靠性。

  Atlas 5号系列


  Atlas5号可以追根溯源到20世纪50年代晚期Atlas洲际导弹的研制.这种导弹最先是用于1958年的SCORE宇宙运载火箭方案。它最初的解决方案是开始于1992年出台的Atlas 2A号。Atlas 2A是以它直达三米的直径和稳压助推器而著称,这种稳压助推器是由液氧煤油(助推器和主发动机)发动机供能的。另外这种火箭的上面一级---Centaur2号也是三米的直径,而它更注目的特点是它的两重发动机RL10A-4.

  Atlas 2AS号则是使用了四级火箭加速器来提高其性能。下一种较主要的Atlas变形是Atlas 3A号,它在它2000年5月的第一次试飞就取得了成功。这枚火箭拥有俄罗斯制造的RD-180发动机,这种发动机也曾用在Atlas 4号上。这种安排为政府在管理飞行证明的行为上提出了质疑,这种质疑是源于对RD-180设计和测试数据的限制。Pratt & Whitney Rocket dyne公司正在进行一项的副作用能力的开发,这将作为降低风险度的一项成果。Centaur 3火箭上级也是第一次使用在上Atlas 3A 上。

  随着Atlas系列的发展,Atlas 3B号应运而生。在2002年的2月进行了它的处女飞行。这枚火箭主要介绍了Common Centaur火箭上部分,它既能单独飞行也可以由双重RL10A-4-2型发动机带动。

  Atlas系列发展的最后一个阶段是3.8米直径的经典助推器的面世,它运用的是所有Atlas 5号运载火箭的基础建造材料。新型航空电子技术的升级和精中求精的工程系统也被完美的结合。Atlas 5号经典之处是可以安装大及5米直径的有效负荷装置;4米直径的同型装置就可以带动3个推动器,5米直径的就可以带动5个了。

  一个重型升降机由3个普通核心推动器紧密连接组成。所有的变体都使用相同的主发动机,相同的核心加速器,Common Centaur和航空电子技术。这样的公共点可以让Atlas 5号支持更宽范围的任务执行,并且也减少了一个变体到另一个变体升级中在任何阶段性能要求增加的困难,

  Atlas 5号是第一枚能直接进入地球同步轨道的Atlas系列火箭。它的4米直径设计可以承受4950-7620千克的重量到同步迁移轨道,而5米直径系列的可以承受3950-8660千克,并且重型升降机装置还可以承受12600千克。

  Delta 4号系列


  Delta系列的“祖先”也可以追溯到20世纪50年代,而且在雷神号发射导弹也有它的贡献。在1958年的先驱号完成探月任务的太空发射火箭,1960年雷神号也加入了Delta运载火箭.在1989年从完成了它的第一次任务的Delta 2号中衍生出了现代化的进步,那就是全球定位系统宇宙卫星发射。

  Delta 2号的构造在测量直径为2.4米的核心装置使用RS-27A液氧、煤油主发动机,它是依赖于火箭助推器的搭接来起飞。而第二阶则是用N204和Aerozine 50来启动供能。

  像全球定位系统中转轨道或地球逃逸轨道这样的高能任务是在3号的4米直径低温上级是基础上完成的,由RL10B-2引擎带动,RL10B-2和RL10A-4类似都有一个可延展的喷嘴。

  Delta 3号的助推器使用比2号更短更宽的油箱,这样可以容纳更大的上级和有效负荷装置。除此之外,更轻更大的石墨炭火箭助推器也被采用了。这样3号的性能达到了2号的两倍,可以执行更大规模的负载飞行。

  Delta 4号进化的最后一个阶段带给3号的4米直径上级一个新的5米直径普遍核心助推器。其中核心的主引擎是由美国研发的第一台液氧,液氢的主引擎,它采用的是几个相连的低压格气态发动机。尽管它有的是比SSME低的精准推动力,它却可以产生两倍于SSME的瞬间猛推,而且它也更简单便宜利于制造。

  完整的4号系列包括3个阶段:中级,加大中级和重型。中级阶段的是由一个普通的核心助推器和一个4米直径有效负载装置组成。加大型中级则包括一个4米直径有效负荷装置和两个助推器,以及一个5米直径的有效负荷装置和2到4个的助推器。

  重型阶段与Atlas 5号类似,由3个捆绑在一起的核心装置组成。Delta 4号中级阶段能在同步中转轨道上承受390 0千克的重量,而加大型中级和重型阶段的承受量分别是4535-6395千克和12340千克。

  标准有效负荷界面

  除了在性能,可靠性和操作性的改善之外,EELV工程的最重要成就之一是所有的EELV系列的有效载荷的标准接口的发展。标准接口计划书是联合政府工业制造组和运载火箭•太空交通工具中心研发的,航空和宇宙航行空间担任技术仲裁及校订。

  标准接口计划书包括了所有LV/SV接口方面的100多种需要,其中不仅仅有机械和电子借口,还有任务设计要求,飞行环境和地面接口服务。一个完整的任务一体化工序还是必需的,与标准接口紧密联系的宇宙飞船你能大大简化一体化工序。

  标准计划书还减轻了Delta4号和Atlas5号在飞行负载上的一体化负担,以及航天飞机在有效负载装置之间的变迁。

  事实上Delta4号和Atlas5号都提供相同的标准接口是在传统系统上的重要改进。到目前为止,4项人造卫星工程将由Atlas5号和Delta4号发射,这4项工程分别是:宽带补网,国防气象和全球定位先进高尖端通信。

  发射核对程序

  为了使上的独立任务保证得以执行,航天与航行空间公司也被要求使用在传统工程上用了40多年的程序,以此来决定发射系统飞行是否准备就绪。但是,自从该程序没能在工程的设计检阅阶段用在适当的位置上,航空和宇宙航行空间就发射会核对模型的形式发明了一种工具,来吧程序和它的第一次空军发射的发展区分开来。航空和宇宙航行空间处理发射准备证明核准方面无论是宽度和深度上都是独一无二的。

  这种综合且首尾相接的工序是从航机操作的想法和必要条件定义中延伸出来的。它使得数百个元件,手续和测验报告的仔细查看成为必要。它在得到系统和子系统模型上态度是很独立的,也很客观的确证承包人的资料。在所有发射活动中它可以通过第一手的投入提供适时的评论。

  它以一个飞行评论结束,而这个评论是由利用独立分析工具得到的,并且有独立获得的自动测量纪录传导数据来产生有用的反馈信息和监测性能趋势。

  计划和管理----发射准备核对工序将计划使用以上提到的发射核对模型。该模型是一个详细并且可行的管理工具,它发展到可以识别身份,区分优先次序,分配任务,安排日程追踪轨迹和不停的执行每一个任务中将近2000个独立的工作。负责任的工程师被分派去确保每一段工作的成功完成,这是发射发射过程中所必需的。管理人有义务使内部的三大准备评论在航空和宇宙航行空间主席的飞行准备评论之前公布出台。

  系统设计图和合格证书

  航空航天中心发射准备核对工序是由证实说起的,全面的高水平性能要求对支持低水平系统和子系统是非常有利的。独立分析核对系统布局包括动态负载和清空,构架差数,热能防护以及稳定性操作。设计工程师要确保系统,子系统和元件条件要求有足够的发挥余地。

  制造和质量

  制造工序必须要有这样的担保:它必须可以生产出最终设计得出的样板。质量控制工序是根据标准水平和必要要求来检查的。经过最初产品的回馈报告后,航空航天中心将提供技术上的支持来解决制造技能上的问题。这种支持可以限制硬件和工序的内部放置。

  硬件核实

  尽管之前的硬件能把一些瑕疵过滤掉,认可测试计划和程序必须要重新考虑,这样来确保测试环境和成败标准能被删除故障部门信任。航空航天中心在这领域的责任包括见证关键项目的认可测试,异常现象的反馈报告和矫正。航空航天中心人事部门也监测失误调查,并且在某些关键案例中,和独立调查的争论包含冶金学的分析,材料可混用性的检查,电子元件测试和污染物评定。一个尤其重要的测试是纯硬件检查,它更多关注单个元件和子系统的建立。

  软件核实和确认

  每一次发射命令任务的详细软件包括:从发射台拿到有效负载的必要说明。航空航天中心控制一个独立确认和关键系统的核实软件。尤其是关于导航和操作方面。

  任务的计划,确认和分析----任务设计的分析可以保证,发射系统能在预计之中的误差范围内将特定的负载物传送到预定轨道上,并且可以担保任务的顺利完成。航空和航天中心会进行一次独立的分析,以确定对所有飞行条件都适应的任务计划。所以任务分析保证了飞行轨道和飞行特性对特定负载物的最优化性,飞行的最满意度和非常强硬安全性能,也为无线电波的连接,供能,推进和使用提供了足够的误差范围。

  动态负载必须被分析到可以确保助推器的功能正常,并且要满足与接口控制文件的要求。导航和操作执行系统也必须被分析,以达到可接受的误差范围和操作稳定程度。

  组装,测试和飞行准备

  在发射台,为了最后的发射必须进行很多的测试。航空和航天中心对这些测试结果进行评定,并依据它们来确定是否可以充分的支持任务的准备,以及是否满足设计的要求和操作的强制性。关键性的差事和测试都是被大多数人亲身见证的,还要按照要求和每一步程序进行评估。异常现象更是会受到特别的关注。航空和航天中心人事部门将赞助所有较重要的发射试验和准备工作的反馈报告,还为测试组提供进一步的技术证据。

  发射准备工作的最后核对

  当所有的程序都已经被真实的记录下来,所有的测试结果和改进措施都列入可接受水平范围内,航空和航天中心把它的发射准备核对资料给空军部和导弹中心。这些资料在飞行价值测定和证明中将会起到很大的作用。其目的就是要确保主要承包人,航空航天中心,宇宙飞船程序事务所和发射程序都能承认:最后的发射行动所需的运载火箭和有效负载装置已经准备就绪。

  发射前的倒计时

  航空航天中心的员工会在倒计时和发射期间一直在现场,用他们在发射核对程序期间获得的知识和经验支持发射决策。发射当天的支持也使得很多装置的独立检查成为必要。像有效负载装置,倒计时可能出现的异象,工作区可能出现的偏差和违反发射约束条件的运转。任何异象和偏差都可以在火箭的发射准备评估会影响到装卸前被注意到。如果一次发射被取消了,一次新的飞行准备评估也许是必需的,然后倒计时器又可以重新恢复。

  一些最严密的分析往往发生在卸装以后。例如:发射系统的飞行数据就是这时被分析,以独立的评估火箭性能,身份和飞行异象以及随时更新数据档案。第二腾空分析和重建也被用于执行趋势分析,获取学术上的经验和提供下一次准备资料评估的反馈信息。

  成功的完成任务---发射准备核对的首要任务

  航空航天中心接二连三的系统资料回馈是一种惯例,但也是每一个导弹系统中心发射活动中最关键的部分。公正并且独立的发射准备核对可以对此担保:所有已知的技术问题都已经被解决,而且剩余的发射风险也已经被识别出来并得到评估。当航空航天中心在发射准备核对书上签字时,导弹系统中心就可以有更强的信心继续任务的最后阶段了。导弹系统中心现有的无事故记录是连续47宇宙火箭成功例子。独立任务的再生在传统程序上的保险也被EELV工程及时的反映,就是为了它的第一次发射的成功完成。第一次任务通常都需要受到加倍的关注,更加多的努力,另外也新增的EELV任务独立发射准备核对疏忽检测。

  导弹系统中心对任务的成功完成作出过承诺,凭借飞行价值证明工序提供的较全面的数据。这已经成了渗入到准备工序的一种“文化”。航空航天中心的角色是保证通过它的发射准备核对程序,每一架运载火箭都会有完好的技术,并且风险也是根据任务成功的最大概率处在可接受的范围里。

  作者简介:

  Ray F. Johnson 先生(来自英国标准协会认证的加利福尼亚大学伯克利分校机械工程,芝加哥大学的工商管理硕士)是与航空航天中心合作的空间发射活动的暂代首席官。Johnson先生对所有空军的发射,变轨和卫星工程在航空航天中心的支持都负有一定的责任。像Titan4号,Delta 2号,Atlas 2号,Delta 4号和Atlas 5号的演化的运载火箭系统(EELV),空间升降机的安排以及空军卫星控制网络。 他也对在Canaveral,弗罗里达州和VandenbergAFB火箭发射实验场进行的伴随发射活动负有责任。除此之外,还有发射活动中的民用和商用合同的管理。Johnson先生在1987年在Titan 工程中以主管工程师的身份加入航空航天中心。在1988年提升为液体推进器部门的管理人,在1990到1993年间在Titan 工程中担任董事会负责人,并且为航空航天中心在发展Centaur的上截运用Titan 4号运载火箭负责。在1993年的11月,Johnson先生被指定为火箭性能细节,工程和技术团体的主要负责人,将负责推进器领域,飞行机器,液体供能器和运载火箭航天器热能分析的工程支持。在成为指定暂代首席官以前,Johnson先生是发射工程部门的总经理,负责管理航空航天中心对空军Titan, Atlas和Delta系列发射工程的技术支持。

  Edmardo ”Joe ”Tomei先生(来自英国标准协会认证的密歇根州立大学航空航天工程和加利福尼亚南部大学)是空间发射工程的主要工程师,和航空航天中心公司一起负责技术熟悉和对所有空间发射活动的支持。这些发射活动包括为空军部和NASA提供的Titan, Atlas, Delta和Shuttle系列,也有一系列其它发射系统。在过去的15年间他参与了所有的空军发射活动,最近还支持着空间广领域发射的回馈,哥伦比亚事故调查委员会和航天飞机的返航。Tomei 先生是EELV工程的前任首席工程师,超前计划和学习的负责人,新开发地和空军航天飞机工程发射活动的管理人。他在发射活动中已经积累了38年多的经验,这些活动包括运载火箭的设计,系统工程,发射系统安全,推进器系统,变轨安全和运载火箭的引起争论的危害等方面。

 
  
  
  
  
 
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